天然气重卡发动机原理与检修

1、天然气重卡发动机原理与检修海勤电控2013年6月燃气发动机燃料主要有三种： CNG-Compressed natural gas 压缩天然气: 主要成分是甲烷，易于完全燃烧，不稀释润滑油，能够延长发动机使用寿命。比空气轻，泄露后迅速飘散大气中，安全性好。 LNG-Liquefied natural gas 液化天然气： 在常压下、温度为-162度的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。液化天然气燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存。 LPG-Liquefied pertroleum gas 液化石油气： 常温常压下为气态的烃类混合物，比空气重，有较高的辛烷值，具有混合均匀、燃烧充分、不积碳、不稀

2、释润滑油等优点，能够延长发动机使用寿命，而且一次载气量大、行驶里程长。天然气发动机俯视图燃气发动机技术发展第一代天然气发动机使用非增压预混合技术。技术特点:1、文丘里式混合器进气总管混合；2、机械式节气门控制；3、空燃比闭环控制；4、理论空燃比燃烧。典型系统：LANDIRENZO不足之处：1、燃料控制不精确燃料消耗较高。2、排气温度高。3、容易引起发动机回火。燃气发动机技术发展 第二代天然气发动机使用电控预混合技术。 技术特点:1、比例混合器进气总管预混合；2、电子节气门控制；3、空燃比闭环控制；4、能够实现稀薄燃烧达到、欧排放要求。 典型系统：ECONTROL 不足之处：1、没有喷射阀燃料控

3、制不精确，燃料消耗较高； 2、启动加速性差燃气发动机技术发展第三代天然气发动机使用电控单点喷射技术。 技术特点:1、电控喷射、进气总管预混合；2、电子节气门控制；3、增压压力闭环控制；4、空燃比闭环控制；5、能够实现稀薄燃烧达到欧、欧排放要求。 典型系统： WOODWARD OH1.2，OH2.0 不足之处：无法实现更低的燃料消耗。燃气发动机技术发展 第四代天然气发动机使用HPDI缸内喷射技术 技术特点:1、缸内燃气直接喷射； 2、超稀薄燃烧；3、保持原柴油机动力性水平；4、能够达到欧更高排放要求；5、燃料消耗低。 典型系统：WESTPORT 不足之处：成本较高国内天然气电控系统市场 国内使用

4、的电控天然气控制系统，目前主要分为两大供应商。一个是美国Econtrols另一个是美国伍德沃德。 重汽、玉柴主要装备Econtrols系统。 潍柴主要装备伍德沃德系统。 有的柴油机主机厂两者都有装备。 市场上还有康明斯系统。 博世双燃料已经开发出来，价格较高。CNG发动机工作原理（EC系统）LNG发动机工作原理图（EC系统）发动机控制系统天然气发动机主要结构包括 1、气流控制系统2、气流计量系统3、燃料供给与调节4、点火控制系统5、空燃比测量系统6、发动机速度与正时管理7、重要修正信号 气流控制系统气流控制系统-电子节气门：电子节气门：控制发动机的转速和负荷控制发动机的转速和负荷 气流控制系统

5、-电子节气门 电子节气门是最重要的进气流量控制装置，ECM不断测量位置传感器的反馈信号，通过PWM信号控制节气门，从而直接控制发动机动力输出。 电子节气门一般采用多个位置反馈传感器（通常用双向纠错电位计或霍尔传感器）来进行调速，以增加安全性和冗余检查。 维护保养：维护保养：（1）每10万公里（视当地气体清洁度而定），检查节气门内部是否有明显的油污，若有，则需用节气门清洗剂清洗节气门碟阀部分，清洗后用干压缩空气吹干。（2）清洗后，用手按压碟阀，检查碟阀运动有无卡滞、是否回位，若出现卡滞，则需要更换电控节气门总成。电子节气门电路图工作原理增压器冷却水接口冷却水接口气流控制系统气流控制系统-废气旁通

6、控制阀和防喘振阀废气旁通控制阀和防喘振阀废气旁通控制阀废气旁通控制阀 废气旁通控制阀废气旁通控制阀 工作原理：工作原理：废气旁通控制阀，控制着涡轮增压器废气旁通控制膜片上的压力，从而控制增压压力。 作用：作用：ECU根据各种传感器传来的数据，控制着电子节气门和废气旁通阀，直接影响动力性和驾驶性。采用该技术能有效提升发动机低速扭矩。2、防喘振阀：、防喘振阀：避免增压器喘振，保护增压器避免增压器喘振，保护增压器 喘振阀是一个涡轮发动机保护装置。当涡轮增压器的工作状态和油门关闭，在涡轮增压器和门板之间的节气有很大的背压，这将使增压器突然停止工作。 喘振阀是在通常的闭合位置，当打开时，流入到空气中的逆

7、流的高压涡轮增压器的下游，这将防止涡轮增压器组件加速磨损和疲劳 该类似技术在一汽大众的迈腾轿车已经使用多年。 油门位置传感器 作用：作用：驾驶者通过电子油门踏板驱动和控制发动机运行工况，反映驾驶者的实际动力需求。气流计量系统 ECU根据传感器信号计算空气流量，进而确定需要供给发动机的燃料量。气体速度和密度是ECU估算的主要依据。通过进气歧管压力MAP和进气温度MAT以及发动机转速。ECU能够估算出进入发动机的进气量，ECU通过节气门前和涡轮增压器前的压力传感器估算出天然气抵偿的空气体积，以及冷却液温度带来的影响。气流计量系统-节气门前压力传感器 节气门前压力传感器是一种压力-电压转换器，安装在

8、涡轮增压器与混合器之间的进气管路上。它用来测量节气门之前的增压空气压力增压空气压力。压力值和其他的传感器信号一起确定节气门的气流速率同时被用于增压压力控制。气流计量系统气流计量系统-节气门后进气压力温度传感器节气门后进气压力温度传感器 作用：作用：通过测量中冷后的压力、温度，结合发动机转速、排量、充气效率，利用速度密度法即可计算出混合气流量混合气流量。 安装要求：安装要求：按零件要求安装在电子节气门下游的进气管上，安装时尽可能让传感器温度、压力探头置于混合气气流中，以测量出正确的值。气流计量系统-进气压力温度传感器 MAP传感器是进气歧管压力传感器。它被用来测量进入发动机气缸前的进气歧管内的压

9、力。测量的压力结合其他的测量值用来确定发动机的空气流量，从而确定燃料流量。电路图气流计量系统-进气温度传感器 进气温度传感器是一个热敏电阻，安装在发动机进气管上。它通过监测进入和排出的空气温度，与其它传感器相结合来确定进入和排出发动机的空气流量. 当进气温度高于限制等级1，并且发动机转速高于故障标定中的设定值时此故障被激活。一般地，发动机会被调整至功率限制等级1避免发动机受到可能的损害。燃料供给与调节系统 从气瓶开始一直到混合器都是燃料供应系统包括了高压燃料切断阀、高压减压器、低压电磁阀部件、电控调压器部件（EPR阀）、混合器等零件。 对于伍德沃德系统略有不同我们在后面介绍。燃料供给系统零件分

10、布图 高压气路：20-250BAR 中压气路：6-10BAR 低压气路：1-2BAR 以上是CNG 的数据燃料供给系统-管路连接1、高压燃料切断阀部件：、高压燃料切断阀部件：及时切断或恢复燃料供给及时切断或恢复燃料供给 工作原理：由线圈驱动阀芯，由工作原理：由线圈驱动阀芯，由ECM控制其开合，停机控制其开合，停机状态下处于常闭状态。状态下处于常闭状态。 作用：及时切断或恢复燃料供给。作用：及时切断或恢复燃料供给。 安装要求：为有效防止高压电磁阀进气接头与高压电磁安装要求：为有效防止高压电磁阀进气接头与高压电磁阀结合部位漏气，安装该接头时，必须使用螺纹密封胶阀结合部位漏气，安装该接头时，必须使用

11、螺纹密封胶（如乐泰（如乐泰262），并锁紧接头使铜垫略有变形，有效密封。），并锁紧接头使铜垫略有变形，有效密封。 维护保养：维护保养：（1）清洗滤芯：高压燃料切断阀进气口自带滤芯，可用汽）清洗滤芯：高压燃料切断阀进气口自带滤芯，可用汽油浸泡，并用压缩空气吹干净装复即可；油浸泡，并用压缩空气吹干净装复即可；（2）清洗阀芯及阀口：如果拆检时发现高压电磁阀滤芯污）清洗阀芯及阀口：如果拆检时发现高压电磁阀滤芯污染严重，必须拆下高压电磁阀阀芯、阀座，用汽油浸泡染严重，必须拆下高压电磁阀阀芯、阀座，用汽油浸泡后，再用压缩空气吹干净装复。后，再用压缩空气吹干净装复。如图所示：2、高压减压器：、高压减压器：使

12、高压的压缩天然气减压使高压的压缩天然气减压工作原理：工作原理：调整节流孔的流通面积，控制减压后的天然气压力。作用：作用：通过节流和加热，使高压的压缩天然气减压至7bar9bar的低压天然气。 安装要求：安装要求： （1）减压器进气接头螺纹部分必须使用螺纹密封胶，并且使用铜垫进行密封。 （2）减压器出气接头使用O形圈进行密封，出气接头与低压电磁阀、低压电磁阀与电磁阀出气接头采用锥螺纹连接，安装时必须使用螺纹密封胶。 （3）高压减压器通过两根水管与发动机的冷却水循环水路连通。 （4）高压减压器必须通过一根压力反馈管与进气管连接，目的是为了根据工况控制调压器出口压力。 （5）应注意减压调节器的安装位

13、置不能高于发动机散热器顶部。否则会导致加热水不能流经减压器，导致减压器结冰冻裂。 维护保养 （1）每5万公里维护保养内容： 清洗：拆除高压减压器，用汽油或化油器清洗剂清洗高压减压器一级压力腔，并用干压缩空气吹干净后装复； 更换阀芯：拆除高压减压器进气接头，检查滤芯是否被污染；若被污染，更换； 更换易损件（如：橡胶密封圈），检查轴销的磨损情况，如磨损更换轴销。并对减压压力进行检查、调整。（2）每10万公里维护保养内容： 直接更换膜片及密封件，并对减压压力进行检查、调整。高压减压器3、低压电磁阀部件：、低压电磁阀部件：及时切断或恢复燃料供给及时切断或恢复燃料供给 工作原理：工作原理：由线圈驱动阀芯

14、，由ECM控制其开合，停机状态下处于常闭状态。 作用：作用：及时切断或恢复燃料供给。 安装要求：安装要求： （1）为有效防止高压电磁阀进气接头与高压电磁阀结合部位漏气，安装该接头时，必须使用螺纹密封胶（如乐泰262）有效密封。 （2）要求安装电控调压器上面。低压电磁阀 4、电控调压器部件（、电控调压器部件（EPR阀）：阀）：控制天然气喷射量控制天然气喷射量 ERP原理 电控调压器的的作用类似于一个燃料喷射泵，主要功能为按照ECM的压力指令来控制EPR出口压力，控制目标为EPR出口压力与联接到EPR的反馈管压力之差（燃料与空气压力差），EPR阀与ECM采用CAN通讯，EPR阀接收到来自于ECM的

15、数字信号，然后EPR阀内部的微处理器将ECM命令转换成EPR高速电磁阀驱动信号，来驱动EPR阀内部的高速电磁阀，使EPR阀实际出口压力与反馈管压力之差与命令压差值一致，并且通过一个压差传感器来对出口压力与反馈压力差值进行测量，反馈至EPR阀微处理器进行出口压力的闭环控制。ERP 作用：作用：控制天然气喷射量。 安装要求：安装要求：零件内部有控制芯片，避免高频振动。该零件自带减震软垫，切勿自行拆卸。电控调压器天然气出气口离混合器进气口距离要求控制在500mm以内。目的是让天然气中的杂质流到混合器中随空气进入缸内燃烧掉，保持EPR阀内清洁，并且保持天然气供给响应速度快。Econtrols网站解释

16、EPR Products Electronic pressure regulators Controls fuel delivery for the precise fuel metering necessary for optimum combustion, fuel economy and transient response. Designed to regulate fuel pressure above the mixer inlet pressure Provides sufficient control authority to stall an engine either ri

17、ch or lean, and for full fuel shutoff. Can achieve better emission results than injection technologies in most cases Can easily handle low pressure natural gas applications 翻译 EPR产品 电子压力调节器 控制燃料输送的燃油进行精确计量的最佳燃烧的必要，燃油经济性和瞬态响应。 用于调节燃油压力高于混合器入口压力 提供足够燃料，控制失速混合气的浓和稀，以及完全切断燃料。 在大多数情况下，可以获得比喷射技术更好的排放结果 可以

18、很容易地处理低压天然气的应用电路图 5、混合器部件：、混合器部件：有效降低有效降低NOx排放和排气温度排放和排气温度 混合器 工作原理：工作原理：将天然气和中冷后的空气充分混合，使燃烧更充分、柔和。 作用：作用：有效降低NOx排放和排气温度。 维护保养：维护保养：混合器拥有极少的活动部件和坚固的设计，工作稳定。由于使用不当以及使用区域气体洁净度的影响，也将对混合器中的部件产生损坏。常见故障类型如下：（1）膜片损坏：发动机经常性回火会导致膜片老化加剧，致使膜片出现皲裂和破损。（2）燃料空气阀卡滞：当压缩天然气中所含的压缩机机油过多，以及空气中的杂质过滤不充分的情况下，如果没有及时对混合器内部进行

19、清洁保养，油污会附着在燃料空气阀和阀座上。长时间积累会导致运动受阻，甚至完全卡死，从而导致发动机工作不稳定。因此空滤器对空气、天然气过滤器对天然气的过滤效果的好坏将直接影响着混合器的使用寿命。点火系统：点火线圈和火花塞点火系统：点火线圈和火花塞爆震传感器 爆振传感器是通过监测发动机机体或气缸盖的机械振动来监测爆振，并以此作为反馈信号通过推迟点火来降低爆振的强度。在大多数应用中，爆振传感器一般用来保护发动机，避免因为爆振或敲缸而损坏发动机。另一方面，爆振传感器也可用来根据燃料质量基于点火基本脉谱优化点火提前角。 如果爆振传感器 在设定的低负荷工况下检测到的信号超过标定的强度，这个故障就会激活。点

20、火提前角根据标定中的故障延迟角推迟，以阻止爆振的继续发生。电路图电路图火花塞型号及间隙调整 天然气发动机NGK铂金火花塞（PFR7B-D），电极间隙：0.330.05mm。 天然气发动机NGK铱金火花塞（IFR7F-4D），电极间隙：0.40.05mm。 LPG发动机NGK铱金火花塞（BKR6EIX），电极间隙：0.450.05mm。空燃比测量系统 精确的测量空燃比对准确控制发动机油重要的意义，该系统有如下部件组成：宽域氧传感器、排气背压传感器、大气压力传感器以及湿度传感器等。 氧传感器非常重要 湿度在测量空燃比时有很大作用。低湿度时燃气“浓”，高湿度时燃气“稀”。 需要达到的排放标准越高，需

21、要的传感器越多。空燃比测量系统-氧传感器相关电路图空燃比测量系统空燃比测量系统-大气环境传感器大气环境传感器 作用：作用：通过测量进气压力、温度、湿度，并根据所测得的湿度、压力来修正实际控制空燃比和天然气供给量，使发动机运行在最佳状态。 安装要求：安装要求：该传感器要求安装在空气滤清器和增压器之间的空气管路上，为保证环境传感器测量值正确，安装时必须保证传感器底面4个湿度测量小孔不被挡住，并且该传感器温度、压力探头必须置于气流中以测量正确值。发动机速度和正时管理系统 在电控系统中，发动机转速信号用于许多控制领域，包括空气流量管理、燃料供给管理、点火及速度控制，该信号非常重要。 在伍德沃德系统中至

22、少需要装配一个凸轮轴位置传感器。 在EC其他系统中，也装有曲轴位置传感器作为冗余。凸轮轴凸轮轴/曲轴位置传感器曲轴位置传感器 曲轴位置传感器是一个磁性传感器，安装在发动机上，靠近装在曲轴上的信号轮。信号轮与传感器总成用来确定曲轴位置（参考第一缸压缩上止点）和发动机转速。曲轴位置的确定对于系统精确控制正确的点火时刻、燃料喷射和节气门调速控制是非常重要的。 凸轮轴位置传感器是一个磁性传感器，靠近装在凸轮轴上的信号轮。信号轮与传感器总成用来确定凸轮轴位置（参考第一缸压缩上止点）和发动机转速。凸轮轴位置的确定对于系统正确的辨别发动机的冲程，对精确控制燃料喷射和点火是非常重要。 在发动机启动前的转动过程

23、中ECM必须得到有效的曲轴和凸轮轴位置信号（如果应用了），并判断是否同步，若同步，才进一步启动喷射和点火系统电路图重要修正信号重要修正信号-水温传感器水温传感器 作用：作用：将发动机的冷却液温度信号及时准确的传递给ECM，ECM根据冷却液温度修正点火提前角、空然比及怠速车速等参数，同时在水温失控的情况下限制发动机的功率，从而保护发动机。 水温传感器 发动机水温传感器是一种热敏电阻，一般安装在发动机冷却水路上。他们一般用于发动机空气流量计算，点火正时控制，激活某些功能，发动机保护。 发动机水温超高时此故障将帮助保护发动机。当水温超过210 F(华氏度)并且发动机转速超过1000rpm时此故障被激

24、活，并且发动机功率限制等级为1级，最大节气门位置设定在50%电路图重要修正信号重要修正信号-天然气温度传感器天然气温度传感器 作用：作用：实时测量电控调压器出口处的天然气温度，ECM根据测量到的温度、压力等参数以及所需要的目标空然比计算出需要提供给发动机的天然气供给量。 伍德沃德系统原理图第 64页 共 页燃气供给系统燃气供给系统气瓶切断阀FMV燃料计量阀混合器滤清器稳压器热交换器节温器燃气供给系统的作用:q 压力管理: 气罐压力混合器前极低压力q 温度控制: 极低温度的燃气将冻结管路和部件，系统件。有效加热并控制燃气温度在合理范围内q 传感器: 提供稀燃燃烧需要的燃气温度信息，精确控制喷嘴喷

25、射量.q 安全性: 燃气需要电磁阀控制燃气的开断 热交换器的作用： 天然气从液态变为气态导致燃气温度大幅降低，通过发动机的冷却液给天然气进一步加热，可防止进入燃料计量阀前的燃气结晶，以免影响燃料计量阀性能。 性能：在冷却水温高于0度的发动机所有工况，热交换器能保证燃气始终高于-40 。冷却水温高于82C时燃气温度高于0度。热交换器热交换器 减压后的中压天然气流经热交换器和节温器后被加热到合适的温度范围，进入燃料计量阀。FMV 配置8 /10/12个喷嘴，分成2 组平行布置，每个喷嘴一个驱动器，在正常喷射模式下，喷嘴依次轮流喷射，在某些变工况下某些变工况下，喷嘴同时喷射以加快系统反应速度喷嘴同时

26、喷射以加快系统反应速度。FMV 内部集成了天然气压力传感器(NGP)和天然气温度传感器(NGT)。减压后的燃气依次流NGP 传感器和NGT 传感器，然后通过喷嘴进行流量控制，最后从出口流出。FMV的线圈、NGP 传感器，NGT 传感器和喷嘴都可在部件一级进行维护。根据发动机运行工况，电控单元调整燃料计量阀喷嘴脉宽占空比，控制燃气喷射量，保证发动机在设定的空燃比下运行。FMV FMV 计量阀计量阀 喷射阀喷嘴的数目随发动机的机型不同而不同。目前，WP6NGWP6NG和WP7NGWP7NG系列发动机为8 8喷嘴喷嘴，WP10NGWP10NG系列发动机为1010喷嘴喷嘴，WP12NGWP12NG系列

27、发动机为1212喷嘴喷嘴。燃料计量阀工作电压16V-32V，每个喷射阀的峰值电流是4A，维持电流是1A；工作环境温度：-40125；燃气温度：-4090。 安装要求： FMV的安装位置要合理可靠，连接到FMV的线束和管路应保证没有干涉，在FMV上安装有压通式单向阀以用于检测燃气压力，安装FMV时应保证便于检测燃气压力，注意FMV喷嘴线束一定要插紧。 FMV使用一段时间后，需要清洗，清洗时使用专门的清洗设备，并且应用诊断软件中专门的清洗功能。FMVFMV ECM 是一个微缩了的计算机管理中心，它以信号（数据）采集作为输入，经过计算处理、分析判断、决定对策，然后以发出控制指令、指挥执行器工作作为输

28、出，同时给传感器提供稳压电源或参考电压。其全部功能是通过各种硬件和软件来完成的。WOODWARD2.0系统采用ECU128-HD 微处理器。可以支持单点或多点喷射，支持CAN通讯。 ECM具有以下结构：1、最大有34 模拟量输入，5 个数字量输入，5 PWM 输入等； 2、最大支持12个喷嘴驱动，1个驱动单独对应一个喷嘴； 3、11 个低端输出；4、2 CAN 通讯口； 5、1 RS-485通讯口。 ECU有两个5 V电源输出，给传感器供电，两电源相互独立，如果5v电源短路，电压下降并会导致许多系统错误；有一专门应用于连接传感器和ECU的接地，以保证传感器的精确读数。ECM采用RS485用于T

29、oolkit软件连接，故障检查和标定。ECMECM诊断通讯连接Econtrols诊断界面伍德沃德诊断程序界面ADS-H诊断玉柴发动机界面ADS-H诊断玉柴发动机界面ADS-H康明斯发动机界面ADS-H康明斯发动机界面故障诊断步骤 1、读取分析故障码 2、观察分析数据流 3、元件测试 4、电路测试 5、波形分析 6、故障确认故障诊断说明 在缺少原厂检测设备的情况下，应注重对故障码的应用，要把故障码出现的原因理解透彻。 拥有电路图，因为燃气机和汽油机很像，有点火系统，以及电控燃气系统，电路系统远比柴油机电路复杂的多，以及燃气机的特殊性能，在目前阶段，电路图显得尤为重要。 目前阶段，因为维修燃气机的经验少，以及厂家的理论和维修厂的实践的脱节和国外的技术封锁，我们得到的维修指导有限。 诊断故障要有一定的步骤。仪器通讯和自诊断接口故障案例 红岩牵引车、上柴发动机、Econtrols加油不畅、松油门熄火。 故障码含义为： DTC 1151- Closed Loop High (LPG) 故障码故障码1151 LPG闭环修正量高闭环修正量高 此时发动机工作在稀燃状态，需要的比修正后更多的燃料。经常出现修正值高一般为下列一项或几项 原因引起：1）传感器上游或靠近传感器有废气泄漏，2）燃料控制系统的供给压力降低，3）燃料管路或者进气管有泄漏，4）氧传感器无响应